Физическая природа диа- и парамагнетизма

Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства вещества обусловлены микроскопическими токами, циркулирующими внутри вещества. По классическим представлениям эти токи создаются движущимися зарядами в атомах. Классическое рассмотрение позволяет качественно объяснить магнитные свойства вещества без значительного усложнения модели, поэтому будем считать, что точечный отрицательно заряженный электрон движется по круговой орбите вокруг ядра. Это приводит к появлению кругового тока, положительное направление которого противоположно направлению движения электрона. В магнитном поле магнитные моменты микроскопических токов ориентируются преимущественно вдоль силовой линии магнитного поля. На магнитный момент микроскопических токов в магнитном поле действует момент сил, поэтому орбита электрона начнет прецессировать, и появится дополнительный вектор магнитного момента , направленный против вектора индукции .

Таким образом, при внесении атома в магнитного поле у атома появится дополнительный магнитный момент.

Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома (сумма момента электронов и ядра) был нулевым, то после внесения в магнитное поле появившийся магнитный момент будет направлен против вектора индукции внешнего поля. Следовательно, и вектор намагниченности малого объёма – тоже. Такие вещества относятся к классу диамагнетиков.

Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома был ненулевым, то после внесения в магнитное поле суммарный момент ориентируется вдоль силовой линии внешнего поля. Следовательно, вектор намагниченности будет направлен по вектору индукции. Такие вещества относятся к классу парамагнетиков. Для парамагнетиков магнитная восприимчивость зависит от температуры по закону Кюри:

,

где С – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, Т – температура.

Ферромагнетики – вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. Типичный представитель – железо (а также никель, кобальт и сплавы на их основе). Величина намагниченности ферромагнетиков значительно превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков.

У ферромагнетиков состояние намагниченности зависит от предыдущего состояния. Это явление называется магнитнымгистерезисом (от греческого слова, означающего «отстающий»).При магнитном гистерезисевектор намагничивания и вектор напряженности магнитного поля в веществе зависят не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Пусть начальное намагничивание в ферромагнетике отсутствовало. Тогда при увеличении напряженности магнитного поля намагниченность начинает нелинейно возрастать до некоторой величины – значения насыщения намагниченности.

Следовательно, магнитная восприимчивость для ферромагнетиков зависит от величины напряжённости . При увеличении Н величина c стремится к нулю.

Суммарная индукция в веществе тоже будет нелинейно зависеть от напряженности до тех пор, пока у намагниченности не наступит насыщение.

Рассмотрим процесс, в котором напряженность магнитного поля циклически изменяется. Если сначала намагничивания не было, то величина индукции поля увеличивается, например, до точки 1 по основной кривой намагничивания. Далее, при уменьшении напряжённости зависимость B (H) изображается кривой 1-2-3-4. Точке 2 соответствует нулевая напряжённость внешнего магнитного поля, но при этом у вещества наблюдается остаточное магнитное поле, величина индукции которого В _ОСТ. Образец магнетика становится постоянным магнитом.

Для размагничивания образца потребуется создать магнитное поле (точка 3), вектор напряженности которого направлен в противоположном направлении вектору в состоянии 1. Величина такой напряженности называется коэрцитивной силой Н _С. При дальнейшем увеличении напряженности индукция нелинейно возрастает до выхода на кривую насыщения (точка 4). Уменьшение напряженности приводит к зависимости В (Н), соответствующей участку кривой 4-5-6-1.

Таким образом, намагничивание ферромагнетика зависит от его предыдущего состояния (предыстории), поэтому зависимость В (Н) неоднозначная. Следовательно, у ферромагнетиков понятие магнитной проницаемости относится только к основной кривой намагничивания.

Замкнутая кривая В(Н) называется петлёй гистерезиса. Если крайние точки находятся на кривой насыщения, то петля называется предельной (максимальной).

Интеграл равен работе, затрачиваемой на перемагничивание ферромагнетика за полный цикл изменения напряженности магнитного поля.

Явление гистерезиса объясняется наличием у ферромагнетиков особых областей - доменов. В каждом домене, даже в отсутствии внешнего поля, магнитные моменты атомов ориентированы одинаково благодаря обменному взаимодействию, и наблюдается спонтанное намагничивание вещества до состояния насыщения. Размеры доменов порядка микрометра (~10^{-6 м). При отсутствии намагниченности результирующие магнитные моменты каждого домена ориентированы хаотически, поэтому в целом намагниченность равна нулю. При наличии внешнего поля происходит ориентация доменов вдоль направления поля, в результате чего размеры областей спонтанного намагничивания начинают меняться – одни, направление моментов в которых совпадает с направлением поля, увеличиваются, другие уменьшаются. Этот процесс протекает необратимым образом, что является причиной гистерезиса.}

Для ферромагнетиков существует температура, которая называется точкой Кюри, при которой они теряют ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками. Для железа Т _С=1043 К, для Никеля Т _С=627 К. При Т > T _C магнитная восприимчивость зависит от температуры по закону Кюри-Вейса: .

Замечание. 1) Антиферромагнетизм - это одно из магнитных состояний вещества, при котором магнитные моменты микроскопических токов вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма. Точка Неля – температура Т _N, выше которой антиферромагнетик теряет свои свойства.

Например, для химических соединений

FeO: T _N=190 K, а у NiO: T _N=650 K.

2) Ферриты - химические соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов, обладающие уникальными магнитными свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике. Из-за уникального сочетания высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц).

Дата добавления: 2014-01-07